книги из ГПНТБ / Анисимов Я.Ф. Особенности применения полупроводниковых преобразователей в судовых электроустановках

мого выпрямителя. На выходе выпрямителя может быть получено напряжение 24, 12 и 6 В в зависимости от использования клемм силового трансформатора соответственно 1—1, 2—2 или 3—3. Предварительно должен быть закорочен блок силовых тиристоров.

Возможна параллельная работа двух преобразователей. Вырав­ нивание токов преобразователей производится с помощью потен­ циометров RIO. Допускается параллельная работа двух преобразователей на общий катод (корпус судна) и индивидуальные группы анодов от одного измерительного блока любого из двух преобразователей.

В агрегатах типа ПАК предусмотрена защита от радиопомех, коммутационных перенапряжений (цепочка R1—Cl), а также то­ ков короткого замыкания и перегрузок. Элементы защиты от токов короткого замыкания и перегрузок расположены в блоке питания. При возникновении короткого замыкания в схеме преобразователя или на его выходе напряжение на потенциометре R75 возрастает, в результате чего пробивается стабилитрон Стіі и включается тири­ стор D26. Тиристор шунтирует источник питания блока управле­ ния, что вызывает прекращение подачи управляющих импульсов на силовые тиристоры. При перегрузках сигнал на включение D26 подается через диод D32.

Преобразователи имеют дистанционное включение и отключе­ ние выходного напряжения, местную сигнализацию о наличии напряжения (лампа ЛС2 — «Сеть») ; местную (ЛС1— «Пуск») и ди­ станционную (ЛС4 — «Пуск») сигнализацию о включенном состоя­ нии; местную (ЛСЗ—«Авария») .и дистанционную (ЛС5—«Ава­ рия») сигнализацию об аварийном отключении защитой.

По сравнению с преобразователями типа АСП преобразователи типа ПАК имеют более простую схему силовой части, системы управления, значительно меньшее количество тиристоров, что спо­ собствует более высокой надежности работы. Недостаток преобра­ зователей типа ПАК — однофазная нагрузка для судовой сети.

§ 3.5. Выпрямители для питания систем возбуждения судовых электрических машин

В настоящее время на судах получили широкое распростране­ ние синхронные генераторы с самовозбуждением. В таких генера­ торах обмотка возбуждения присоединяется к обмотке статора че­ рез трансформатор и полупроводниковый выпрямитель, который, несмотря на большое разнообразие систем самовозбуждения [36], является непременным их элементом.

Системы возбуждения на полупроводниковых выпрямителях обеспечивают автоматическую стабилизацию напряжения генера­ торов при изменении нагрузки, большую скорость нарастания на­ пряжения в переходных режимах, отличаются высокой надеж­ ностью в работе и малыми габаритами и массой.

Вентильные блоки выполняются по трехфазной мостовой схеме на основе селеновых, а в настоящее время преимущественно на ос-

нове кремниевых неуправляемых диодов. Они могут состоять из отдельных вентильных элементов. В качестве вентильных бло­ ков используются также выпрямительные устройства, выпускае­ мые промышленностью. Методы расчета вентильных блоков си­ стем самовозбуждения изложены в [36].

Одна из основных особенностей работы выпрямительных уст­ ройств в системах возбуждения заключается в том, что они долж­ ны обеспечить как номинальный, так и форсировочный режимы генераторов. При этом если в номинальном режиме предусматри­ вается длительная работа, то в форсировочиом — кратковремен­ ная. Однако последний режим по сравнению с первым характери­ зуется значительными перегрузками на вентили, что решающим образом влияет на их выбор.

Условия работы полупроводниковых выпрямителей в системе самовозбуждения синхронного генератора существенно зависят также и от структуры системы. Можно выделить две группы си­ стем возбуждения, отличающихся друг от друга режимами работы трехфазного мостового выпрямителя [23]. Первую группу состав­ ляют системы возбуждения с выпрямителями, в анодных цепях которых отсутствуют емкостные элементы. Примерами таких си­ стем являются системы возбуждения завода «Elmo» (ГДР), фир­ мы «Hansa Motoren» (ФРГ) и др. Наличие значительного анод­ ного индуктивного сопротивления, вносимого трансформаторами и используемыми в качестве компаундирующих элементов дрос­ селями, а также малая величина активного сопротивления обмо­ ток возбуждения приводят к тому, что угол коммутации в данных схемах достигает величин, превышающих 60 эл. град. Следова­ тельно, выпрямитель работает в режиме, когда вентили проводят ток группами по три и четыре [58], т. е. в режиме, близком к ко­ роткому замыканию. Для подобных режимов характерны отно­ сительно низкий уровень выпрямленного напряжения и большая величина выпрямленного тока. Например, в системе возбужде­ ния генератора мощностью 330 кВА завода «Elmo» выпрямленный ток (номинальный ток обмотки возбуждения) составляет 145 А, а выпрямленное напряжение (номинальное напряжение обмотки

«Rade Koncar»), несмотря также на значительную величину анод­ ного индуктивного сопротивления, выпрямитель работает в ре­ жиме, когда вентили проводят ток группами по два и три, а углы коммутации, следовательно, не превышают 60 эл. град. Такой ре­ жим обеспечивается благодаря конденсаторам самой системы са­ мовозбуждения и компаундирования, включенным в анодные це­ пи выпрямителя.

Характерным в работе выпрямителя в системе возбуждения, относящейся к первой группе, является изменение режима работы

82

в переходных процессах. При снижении тока возбуждения вы­ прямитель переходит в режим работы вентилей группами по два и три, возрастает величина выпрямленного напряжения, вследствие чего обеспечивается форсировка возбуждения. В статических режимах величина максимального обратного напряжения на вен­ тилях значительно (в 2,5—3 раза и более) превышает напряжение на обмотке возбуждения. В системах второй группы форсировочные явления проявляются в меньшей мере.

В системах возбуждения судовых синхронных генераторов вы­ прямители большую часть времени работают с мало меняющейся нагрузкой, но во время переходных режимов нагрузка по току воз­ растает. Возрастание нагрузки наблюдается в период пуска мощ­ ных электродвигателей, при включении генераторов на параллель­ ную работу методом грубой синхронизации и т. д. [26].

Поэтому вентили целесообразно выбирать по наиболее тяже­ лому для системы возбуждения статическому режиму работы ге­

режим работы генератора с номинальным током статора при коэф­ фициенте мощности 0,5 и частоте вращения, равной 0,95 номиналь­ ной. Наиболее тяжелым динамическим режимом является режим внезапного трехфазного короткого замыкания. Выбор класса вен­ тиля должен производиться исходя из форсировочной способности системы возбуждения при таком коротком замыкании. Для обеспе­ чения надежной работы рекомендуется предусматривать не менее чем пятикратный запас по напряжению [26].

Дальнейшее совершенствование систем самовозбуждения син­ хронных генераторов осуществляется с помощью тиристорных уст­ ройств. Основные направления, по которым идет развитие этих си­ стем [36]:

а) использование тиристоров в цепях коррекции по напряже­

Тиристорный корректор, выполняемый по трехфазной нулевой или трехфазной мостовой нессиметричной схеме с закороченным выходом, может включаться вместо дросселя отбора параллельно силовому вентильному блоку. Тиристорный блок путем изменения угла включения позволяет изменять ток отбора от нуля до макси­ мальной величины и тем самым устанавливать небходимый ток в обмотке возбуждения. Основное достоинство таких систем заклю­ чается в существенном увеличении их быстродействия.

Системы токового компаундирования с применением тиристо­ ров представлены большой группой схем возбуждения. Тиристоры могут включаться как в канал тока, так и в канал напряжения й применяются для ограничения тока ротора при устойчивых корот-

ких замыканиях, длительных перегрузках, для улучшения регули­ ровочных характеристик.

Одной из систем самовозбуждения с применением тиристоров является схема фирмы «Стромберг» (Финляндия), установленная на судах типа «Краснокамск».

Использование тиристорных выпрямителей позволяет созда­ вать статические системы и для питания обмоток возбуждения главных машин гребных электрических установок (ГЭУ). В таких системах обычно применяется трехфазная мостовая симметричная схема.

Изменение направления вращения гребного электродвигателя может производиться изменением полярности напряжения на яко­ ре или направления его магнитного потока. В зависимости от этого тиристорные преобразователи, предназначенные для питания об­ моток возбуждения двигателя и генератора, могут иметь неревер­ сивное или реверсивное исполнение.

Основными требованиями, предъявляемыми к тиристорным си­ стемам управления ГЭУ, являются обеспечение специальных режи­ мов и высокой надежности в работе.

В тиристорных возбудителях гребных электродвигателей пре­ дусматриваются положительная обратная связь по току главной цепи, а также обратные связи по напряжению или току выпрями­ теля. Обратные связи позволяют изменять магнитный поток дви­ гателя и поддерживать постоянство мощности на гребном валу при переходе от характеристик хода в свободной воде к швар­ товной.

В тиристорных возбудителях генераторов предусматривается отрицательная обратная связь по току главной цепи. Такие возбу­ дители обеспечивают широкие пределы регулирования по напря­ жению и проектируются с учетом осуществления форсировочного режима. С этой целью в номинальном режиме, как и в возбудите­ лях двигателей, предусматривается необходимый запас по углу включения. При стоянке двигателя под током угол включения ти­ ристоров определяется величиной э. д. с. генератора, необходимой для покрытия падения напряжения в активных сопротивлениях главной цепи.

В тиристорных преобразователях систем возбуждения также возможен инверторный режим. Условия для его осуществления возникают вследствие накопленной в обмотке возбуждения элект­ ромагнитной энергии при снижении тока возбуждения. Рекупера­ ция энергии обмотки возбуждения двигателя в сеть целесообразна при реверсе путем изменения направления магнитного потока, обмотки возбуждения генератора — при уменьшении э. д. с. яко­ ря, например, с целью торможения двигателя. В отличие от преоб­ разователя в цепи якоря в схеме возбуждения переход от выпря­ мительного режима к инверторному и наоборот происходит в од­ ной и той же группе вентилей без каких-либо дополнительных переключений. Отметим, что применение трехфазной мостовой не­ симметричной схемы не позволяет осуществить инверторный режим,

84

для обеспечения его необходимо использование симметричной схемы.

По всем показателям тиристорные возбудители превосходят электромашинные. Так, общие капитальные затраты в применении к гидрографическому судну составили 87%, масса оборудования и занимаемая площадь — 40%, потери энергии — 15% от анало­ гичных показателей при электромашинном управлении [25].

Недостатком тиристориых схем является зависимость напря­ жения в цепи возбуждения от напряжения сети переменного тока, что необходимо учитывать, например, при осуществлении форсировки возбуждения или инверторного режима.

§ 3.6. Преобразователи для валогенераторных установок

Применение валогенераторных установок способствует даль­ нейшему совершенствованию судовых электроэнергетических си­ стем. Однако при использовании таких установок возникает серь-

Рис. 3.14. Схема валогенераторной установки с преобразователем частоты.

езная проблема — стабилизация значения напряжения и особенно частоты. Существующие системы стабилизации напряжения и час­ тоты не дают должного эффекта. Наиболее оптимальное решение данной проблемы может быть достигнуто путем применения полу­ проводниковых преобразователей частоты. Один из вариантов пре­ дусматривает использование преобразователя частоты, ведомого сетью [75]. На рис. 3.14 приведена принципиальная схема валоге-

85

нераторной установки с подобным преобразователем. Синхронный

1250 кВт. Включение тиристоров инвертора и изменение угла открытия а осуществляется системой управления СУ. В систему возбуждения ВГ входят регулятор возбуждения PB, регулятор частоты РЧ и блок ограничения тока БОТ.

Необходимым элементом электроэнергетической установки яв­ ляются синхронные генераторы СГ (4X525 кВА). В данном слу­ чае каждый из них может приводиться во вращение вспомогатель­ ным дизелем ВД или встроенным в генератор асинхронным двига­ телем АД (10 кВт). Дизель ВД может быть отделен от вала СГ соединительной муфтой MC. Синхронные генераторы имеют регу­ ляторы напряжения РН. Реакторы L служат для поддержания на стороне переменного тока ведомого инвертора необходимого на­ пряжения в случае возникновения коротких замыканий, с тем чтобы обеспечить коммутацию вентилей инвертора.

Преобразователь частоты ПЧ передает в сеть активную мощ­

синхронных генераторов СГ. Таким образом, в валогенераторном режиме установки основное назначение СГ заключается в обеспе­

Валогенераторная установка с рассмотренным преобразовате­ лем, несмотря на изменение частоты вращения гребного вала, отличается высокой точностью поддержания постоянства напря­ жения и частоты в судовой сети.

Вместо зависимых инверторов в преобразователях могут быть использованы автономные инверторы. Для обеспечения потреби­ телей, например асинхронных двигателей, на выходе преобразова­ теля реактивной мощностью должны быть включены статические конденсаторы. В этом случае отпадает необходимость в дополни­ тельных синхронных генераторах, требуемый режим может быть обеспечен применением параллельных инверторов. В данных ус­ ловиях особо ценным становится то, что форма выходного напря­ жения инверторов указанного типа приближается к синусоидаль­ ной.

Решение вопроса стабилизации частоты в установках с авто­ номными инверторами не вызывает особых затруднений: поддер­ жание постоянства частоты на необходимом уровне обеспечивается системой управления инвертором. Функцию стабилизации напря­ жения может выполнять или система самовозбуждения валогенератора, или непосредственно преобразователь частоты. В послед­ нем случае встает вопрос о выборе способа регулирования напряжения автономного инвертора [51]. Стабилизация напряже-

86

ния может осуществляться амплитудным методом, для чего вьь прямитель должен выполняться на тиристорах. Этот способ вслед­ ствие достаточно высокой мощности валогенераторной установки, связан с существенным увеличением числа тиристоров, обеспече­ нием условий параллельной работы их в одном плече.

Стабилизация напряжения в сети может быть достигнута с по­ мощью регуляторов отбора реактивной мощности, включаемых на выходе преобразователя частоты. Основным элементом этих регу­ ляторов являются линейные дроссели, ток в которых, а следова­ тельно, и отбор реактивной мощности регулируется с помощью дополнительных тиристоров, чем и обеспечивается стабилизация напряжения на нагрузке.

Напряжение в сети может поддерживаться на требуемом уров­ не также с помощью управляемых обратных выпрямителей, вклю­ чаемых между выходом и входом инверторов. В такой схеме про­ исходит циркуляция тока между инвертором и обратным выпря­ мителем. Изменением угла включения тиристоров обратного выпрямителя можно изменять потребление активной и реактивной мощностей от зажимов инвертора и тем самым регулировать на­ пряжение в судовой сети. Схема с обратным выпрямителем, как правило, уступает схеме с тиристорно-дроссельным регулятором реактивной мощности из-за большой загрузки тиристоров по току и более низких динамических свойств. Первый фактор особенно важен для мощных устройств, какими и являются валогенераторные установки. Этот способ, как и предыдущий, нашел практиче­ ское применение для стабилизации напряжения при изменении нагрузки.

Возможен также геометрический способ стабилизации напря­ жения. Он предполагает наличие нескольких инверторных блоков, соединяемых параллельно на стороне постоянного и последова­ тельно— на стороне переменного тока. Суммарное напряжение стабилизируется соответствующим изменением фазового сдвига между выходными напряжениями отдельных блоков. В этом слу­ чае схема инвертора усложняется, но передаваемая энергия рас­ пределяется по отдельным группам, вследствие чего последние ока­ зываются менее нагруженными по сравнению с общим блоком в предыдущих случаях. Наиболее экономичен метод широтно-им- пульсной модуляции, возможный только в инверторах напряжения.

Выбор того или иного способа регулирования напряжения в каждом случае зависит от ряда факторов и в первую очередь от диапазона изменения частоты вращения гребного вала, мощности валогенераторной установки и от требований к качеству напряже­

в сети преобразователь должен выдержать ток, необходимый для срабатывания защитного аппарата поврежденного участка. Чув­ ствительность параллельных инверторов к возрастанию тока на выходе может привести к опрокидыванию инвертора, т. е. к обес-

87

точиванию всей судовой сети, прежде чем будет отключен короткозамкнутый участок, без чего невозможно повторное включение ин­ вертора. С точки зрения коммутационной устойчивости более со­ вершенна схема параллельно-последовательного инвертора. К тому же благодаря наличию параллельных и последовательных конден­ саторов можно получить сравнительно жесткую внешнюю харак­ теристику в значительном диапазоне изменения нагрузки без до­ полнительных регулирующих элементов. Для обеспечения устой­ чивости работы при малых нагрузках и на холостом ходу, а также в целях стабилизации напряжения на выходе инвертора обычно включаются регуляторы отбора мощности. Для повышения комму­ тационной устойчивости инвертора в режиме коротких замыканий конденсаторы разделяют на три группы [51].

Валогенераторная установка может состоять из нескольких ге­ нераторов, которые при определенных условиях могут работать параллельно на общие шины [29].

При проектировании валогенераторных установок с преобразо­ вателями частоты необходимо принимать во внимание тот факт, что мощности преобразователя и генератора соизмеримы. Под воз­ действием преобразователя в обмотках генератора возникают до­

также при несимметричных режимах работы генератора.

Глава 4

СТАТИЧЕСКИЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ

В СУДОВОМ ЭЛЕКТРОПРИВОДЕ

§4.1. Принципы построения схем полупроводниковых преобразователей для управления приводом постоянного тока

Работа многих важнейших судовых механизмов связана с при­ менением электропривода. В современных судовых электро­ приводах широко используются асинхронные двигатели. Число

короткозамкнутых асинхронных двигателей на некоторых судах составляет 80—90% по отношению к количеству установленных электродвигателей.

с короткозамкнутым ротором серии МАП. Однако в ряде таких приводов используются и двигатели постоянного тока, регулируе­ мые по системе генератор—двигатель.

88

Основным направлением современного этапа развития регу­ лируемых электроприводов следует считать внедрение асинхрон­ ного электропривода с частотным регулированием на основе тиристорных преобразователей частоты. Подобные системы начи­ нают использоваться уже в настоящее время. Но применение тиристорного управления началось с разработок тиристорного при­ вода постоянного тока, отличающегося большей простотой и на­ дежностью схемы управления по сравнению с асинхронным приводом с частотным управлением. Отдельные виды тиристорных преобразователей для питания приводов постоянного тока ус­ пешно работают на судах в течение ряда лет. Изучение этих схем в условиях эксплуатации позволит в дальнейшем принять наибо­ лее целесообразное решение.

Тиристорный привод постоянного тока применяется для замены системы Г—Д. Эта замена улучшает ряд показателей: массу, габа­ риты, диапазон регулирования, быстродействие, к. п. д. Тиристор­ ный привод по сравнению с системой Г—Д более прост конст­ руктивно, бесшумен, обладает мгновенной готовностью к работе, снижает занимаемую полезную площадь.

Область разработок полупроводниковых преобразователей для управления судовым электроприводом постоянного тока включает системы с нерегулируемыми выпрямителями, тиристорными выпря­ мителями и широтно-импульсными преобразователями.

Неуправляемые выпрямители на кремниевых диодах приме­ няются для питания электроприводов с большим вращающим мо­ ментом, работающих в повторно-кратковременном режиме. Вы­ прямительные агрегаты подобного типа отличаются относительно низким уровнем выходного напряжения, но они выдерживают зна­ чительные нагрузки. Эти особенности приводят к целесообразности использования шестифазной схемы с уравнительным реактором, однако в рассматриваемых преобразователях встречается и трех­ фазная мостовая схема.

Преобразователи на основе неуправляемых выпрямителей на­ ходят ограниченное применение. Приводы с плавным регулирова­ нием частоты вращения в широком диапазоне требуют изменения выпрямленного напряжения также в широких пределах. Такое изменение выпрямленного напряжения может быть обеспечено с помощью дросселей насыщения. Но в судовых электроприводах этот способ регулирования в силу известных недостатков дрос- сельно-выпрямительных устройств распространения не получил. Успешное использование вентильного привода постоянного тока в судовых условиях стало возможным только с разработкой ти­ ристоров.

Тиристорные преобразователи применяются для питания глав­ ных цепей двигателей и обмоток возбуждения. В зависимости от условий реверса двигателя преобразователи могут быть двух ис­ полнений: нереверсивные и реверсивные, при этом нереверсивные преобразователи применяются как в нереверсивных, так и в ре­ версивных приводах.

89